Để tiếp nối phần 1, trong phần 2 này, mình xin đi vào làm rõ hơn cấu tạo của một số dòng xe sử dụng năng lượng điện, các điểm nổi bật cần biết trên các mẫu xe thuộc dòng này. Đây là loạt bài giới thiệu tổng quan nên mình không đi sâu vào chi tiết của từng dòng xe, sau này sẽ có những bài riêng cho từng dòng xe.
Đầu tiên, có thể coi trong điều kiện môi trường + tài nguyên thiên nhiên hiện nay, xe chạy điện là một bước phát triển tiếp theo và không thể tránh khỏi của ngành công nghiệp ôtô. Tuy nhiên, không phải hãng xe nào cũng lựa chọn cách phát triển trực tiếp ngay các dòng xe chạy 100% điện (Electric Vehicle) mà thay vào đó đi từng bước, trải qua các giai đoạn chuyển tiếp khác nhau. Các giai đoạn này bao gồm việc nâng cấp hệ thống điện cho dòng xe xăng truyền thống hay nghiên cứu phát triển bổ sung năng lượng điện như trên dòng xe lai sử dụng động cơ xăng và động cơ điện. Tùy vào chiến lược phát triển thị trường của mình mà mỗi hãng cho ra mắt các sản phẩm xe tương ứng : như Renault-Nissan với chiến lược tiên phong trong lĩnh vực xe điện, đã cho ra đời một loạt dòng xe EV nổi bật như : Nissan Leaf, Renault Zoe, Renault Fluence, Renault Twizy, Renault Kangoo trong khi Toyota lại nổi bật ở lĩnh vực dòng xe lai Hybrid với Prius và Prius +.
Đầu tiên là dòng xe 100% điện - EV : đây là loại xe không bao gồm động cơ xăng hay diesel mà chạy hoàn toàn bằng nguồn năng lượng được cung cấp từ pin.
Mẫu xe nổi bật : Nissan Leaf, Tesla model S
Nissan Leaf
So với dòng xe lai (HEV) thì cấu tạo hệ truyền động (powertrain's concept) của EV đơn giản hơn :
Trong hình a) ta có thể thấy được cấu tạo hệ truyền động của phần lớn EV trên thị trường hiện nay :
- 1 động cơ điện (EM) làm nhiệm vụ truyền động cho bánh xe thông qua bộ vi sai (differential). Động cơ điện có thể là loại đồng bộ 3 pha, hoặc không đồng bộ 3 pha.
- Bộ điện tử công suất giúp biến chuyển dòng điện DC/AC giúp chạy động cơ điện (Power Electronic)
- Nguồn cung cấp năng lương cho EM, là trái tim của EV mà trong trường hợp này là bộ pin (battery). Pin có thể là loại Li-ion, Li metal, NiMH, v.v..
- Bộ điện tử công suất giúp biến chuyển dòng điện AC/DC cho việc sạc pin
- 1 bộ xử lý trung tâm giúp tính toán mọi vấn đề xảy ra trên EV : tương tác giữa các thiết bị, tương tác giữa xe với môi trường bên ngoài. Ví dụ : sự điều phối dòng năng lượng (dòng công suất) ở trong xe. Ví dụ : khi nào sẽ sạc pin, v.v... Mục đích là giúp xe có thể hoạt động một các tiết kiệm năng lượng nhất.
Trong hình b), 1 hệ thống truyển động khác được giới thiệu với 2 động cơ điện riêng rẽ cho mỗi bánh, giúp chúng ta loại bỏ được bộ vi sai nhưng lại nhân đội hệ thống điện tử công suất cho mỗi bánh. Đây là cấu tạo trên dòng xe Tesla nổi tiếng.
Khung gầm của Tesla Model S (2 mũi tên đỏ tương ứng với 2 động cơ điện cho từng bánh sau)
Có thể thấy ngay, powertrain của EV so với dòng xe truyền thống đơn giản hơn, ít bộ phận hơn, do đó hiệu năng xe cao hơn. Qua hình ở trên, một số bạn có thể có thắc mắc khi không thấy bộ số (gear box) trong hệ thống truyền động của EV. Điều này có thể giải thích bởi tính chất đặc biêt của động cơ điện. Nhưng trước hết, chúng ta cùng nhắc lại mục đích của gear box trong hệ truyền động của xe hơi. Gear box là một hệ thống bao gồm các bánh răng với kích thước khác nhau có tác dụng làm thay đổi tỉ lệ giữa vận tốc quay của trục IN và trục OUT, cũng như tỉ lệ giữa mô men xoắn của trục IN và trục OUT. Trên các dòng xe chạy xăng, diesel, chúng ta phải sử dụng bộ Gear box bởi các động cơ đốt trong ở vận tốc thấp có mô men xoắn cực đại thấp, không đủ để có thể khởi động xe. Do đó, nhờ vào 2 bánh răng với tỉ lệ phù hợp, chúng ta sẽ có thể giúp tăng mô men xoắn cực đại của động cơ đốt trong ở vận tốc thấp (chiều ngược lại thì vận tốc trục OUT lúc này cũng sẽ chậm hơn vận tốc trục IN) khiến xe có thể thoát được sức ì khi khởi động. Ngoài ra, cần phải biết rằng, động cơ đốt trong có vùng hiệu năng cao khá hẹp. Vì thế, với Gear box, ta có thể duy trì động cơ đốt trong hoạt động trong vùng hiệu năng cao sau đó thay đổi tỉ số truyền giữa các bánh răng để đạt được vận tốc hoặc mô men xoắn mong muốn. Bây giờ, chúng ta cùng điểm qua một số tính chất đặc biệt của động cơ điện so với động cơ đốt trong. Động cơ điện có khả năng cung cấp mô men xoắn cực đại lớn hơn nhiều so với động cơ đốt trong ở vận tốc thấp. Vùng hiệu năng cao của động cơ điện cũng trải dài hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Do vậy, ta có thể thấy rằng, những tác dụng của Gear box đều đã có sẵn ở trong động cơ điện chính vì vậy mà phần lớn EV đều không cần dùng đến Gear box. Cũng có một số trường hợp cụ thể mà bộ số gồm 2 hoặc 3 số có thể được sử dụng, mình sẽ làm rõ trong bài riêng về xe điện EV.
Tiếp đến, mình xin được nói đến dòng xe lai HEV hay PHEV.
Có nhiều đánh giá trong tương lai gần, đây mới là dòng xe sẽ thống trị thị trường ôtô bởi nó dung hòa được hầu hết những điểm mạnh của cả 2 dòng xe : EV và xe xăng. HEV và PHEV là dòng xe bao gồm động cơ đốt trong, động cơ điện, nguồn năng lượng được cung cấp bởi bộ pin và bình xăng. Cấu tạo của hệ thống truyền động của dòng xe này cũng vì thế mà phức tạp hơn so với EV hay thậm chí là xe xăng.
Mẫu xe nổi bật : Toyota Prius
Toyota Prius Plug in Hybrid
Nhưng trước hết chúng ta cùng làm rõ sự khác nhau giữa HEV và PHEV :
- Cùng là dòng xe lai bao gồm động cơ đốt trong kết hợp cùng động cơ điện và 2 nguồn năng lượng là xăng và điện từ pin.
- Dòng xe HEV không có khả năng kết nối với nguồn điện ngoài để sạc pin còn dòng xe PHEV thì có (P : Plug-in).
- Chính vì không có khả năng kết nối với nguồn điện ngoài để sạc pin mà pin của HEV chỉ đóng vai trò thứ yếu trong việc tạo động năng cho xe. Do đó, pin của HEV thường có dung tích bé, điện thế thấp và thông thường chỉ xả ở mức an toàn 0-30% dung tích pin. Ngược lại, với khả năng cắm sạc, pin cho PHEV là loại pin dung tích lớn, điện thế cao hơn và đóng vai trò chính yếu trong hệ truyền động của xe, có quãng hoạt động rộng hơn so với HEV, từ 0-80% dung tích pin. Các dòng pin cho HEV và PHEV thông thường ưu tiên yếu tố công suất (W) hơn là năng lượng (Wh).
Dòng xe lai gồm 3 cấu hình truyền động chính, mỗi cấu hình lại có những ưu & khuyết điểm khác nhau.
Serie Full Hybrid
Đầu tiên, cấu hình "
serie full hybrid", là cấu hình được dùng nhiều nhất. Đây là dạng cấu hình mà động cơ đốt trong không liên kết trực tiếp với trục bánh xe mà thay vào đó tạo ra điện năng để cung cấp cho động cơ điện EM, liên kết này gọi là liên kết điện (Electrical Coupling) giữa 2 loại động cơ. Chính đặc điểm này là ưu điểm nổi bất của cấu hình này. Việc giải phóng động cơ đốt trong khỏi liên kết với trục bánh xe giúp chúng ta điều chỉnh được điểm hoạt động của động cơ sao cho nó luôn nằm trong khoảng hiệu năng cao của động cơ nhờ đó làm giảm lượng khí thải và tiết kiệm nhiên liệu. Nguồn năng lượng từ pin sẽ được điều chỉnh để sao cho động năng cung cấp tương ứng với yêu cầu của người sử dụng (bổ sung thêm năng lượng hoặc lấy 1 phần năng lượng từ động cơ đốt trong để sạc pin). Ngoài ra, việc chỉ kết nối động cơ điện với trục bánh xe giúp chúng ta loại bỏ được bộ số Gear box trong hệ truyền động, do đó đơn giản hóa hệ thống, nâng cao hiệu năng, giảm giá thành. Cấu hình này cũng được đánh giá là đơn giản nhất trong việc quản lý các dòng năng lượng để có được hiệu năng xe cao nhất.
Khuyết điểm của cấu hình này là sự xuất hiện của máy phát điện ở đầu ra của động cơ đốt trong nhằm chuyển hóa cơ năng sinh ra do động cơ đốt trong thành điện năng. Điện năng này qua động cơ điện lại một lần nữa chuyển hóa thành cơ năng. Việc chuyển hóa này có thể làm giảm hiệu năng của hệ thống. Máy phát điện cũng làm tăng giá thành và khối lượng. Mặt khác, việc nguồn năng lượng pin chỉ đóng vai trò bổ sung cho động cơ đốt trong mà việc lựa chọn động cơ đốt trong phù hợp có yếu tố quyết định đến việc đảm bảo được tính mạnh mẽ và sự thích thú khi lái xe.
Parallel Full Hybrid
Tiếp đó là cấu hình "
parallel full hybrid". Ở loại cấu hình này, 2 loại động cơ (điện và xăng) được liên kết với nhau dưới dạng liên kết cơ khí (Mechanical Coupling) thông qua 1 hệ thống cơ khí gồm nhiều bánh răng sau đó kết nối với hệ thống truyền động của xe. Với cấu hình này, cả 2 động cơ đều có thể độc lập truyền 100% công suất yêu cầu đến bánh xe (chỉ có 1 trong 2 động cơ hoạt động) hoặc kết hợp với nhau để đáp ứng yêu cầu về công suất tổng của xe (cả 2 động cơ đều hoạt động).
Lợi thế của cấu hình này so với cấu hình "serie full hybrid" là (1) việc quá trình chuyển hóa năng lượng sang động lực cho xe đơn giản hơn (cơ năng sinh ra từ động cơ đốt trong không bị chuyển hóa thành điện năng nữa) do đó hiệu suất đạt được là cao hơn, là (2) lược bỏ được máy phát điện ở đầu ra của động cơ đốt trong và động cơ điện cũng được thiết kế nhỏ gọn hơn do không đóng vai trò kết nối với trục bánh xe như trên cấu hình "serie".
Bất lợi là (1) việc động cơ đốt trong có liên kết trực tiếp với trục bánh xe, do đó sẽ khó cố định được hoạt động ở trong dải hiệu năng cao do đó sẽ tốn nhiên liệu và tăng lượng khí thải. Thêm nữa như đã phân tích ở trên, (2) đây là cấu hình có cấu tạo khá phức tạp và việc quản lý dòng năng lượng trên cấu hình này là không đơn giản khi phải tính toán phân chia các dòng năng lượng dựa trên nhiều yếu tố (hiệu năng động cơ, điều kiện di chuyển, v.v...) thông qua liên kết cơ khí nhằm tối ưu hóa việc tiêu thụ nhiên liệu hoặc công suất của xe.
Liên kết cơ khí (mechanical coupling) thông thường sẽ là liên kết giữa 2 động cơ về 1 trong 2 đại lượng : mô-men xoắn hoặc vận tốc quay. Trong trường hợp là mô-men xoắn (torque coupling), liên kết cơ khí sẽ kết hợp 2 lực mô-men xoắn tạo ra bởi 2 động cơ và chuyển đến trục bánh xe lực mô-men xoắn tổng. Mô-men xoắn của từng động cơ có thể được kiểm soát độc lập, tuy nhiên vận tốc quay của 2 động cơ và vận tốc của xe sẽ phụ thuộc nhau bởi mối ràng buộc về công suất.
Liên kết mô-men xoắn
Công thức ở trên ta có : T3w3 chính bằng công suất yêu cầu của xe, T1w1 là công suất sản sinh của động cơ điện, T2w2 là công suất sản sinh của động cơ đốt trong. Nếu như ta có T3, mô-men xoắn của trục bánh xe bằng tổng của 2 mô-men xoắn T1 và T2 với tỉ số k1, k2 thì vận tốc quay w3, w1 và w2 sẽ tỉ lệ với nhau cũng theo tỉ số k1, k2.
Liên kết cơ khí trong trường hợp liên kết mô-men xoắn thường sử dụng các hệ thống sau :
Cơ chế torque-coupling
Tương tự, nếu như là liên kết vận tốc (speed coupling), liên kết cơ khí sẽ truyền tải đến trục bánh xe một vận tốc bằng tổng vận tốc của 2 động cơ và lúc này mô-men xoắn của 2 động cơ sẽ phụ thuộc lẫn nhau cũng như phụ thuộc mô-men tổng của trục bánh xe.
Liên kết vận tốc quay
Trong trường hợp speed coupling, hệ thống cơ khí được sử dụng là hệ thống bánh răng hành tinh (planetary gear) sau :
Planetary Gear cho Speed Coupling
Đây cũng chính là một trong những hệ thống làm nên sự thành công của dòng xe HEV Toyota Prius. Và mình sẽ giải thích cho các bạn nguyên lý hoạt động của hệ thống này trong một bài tới đây.
Nói thêm, hoàn toàn có khả năng hai hệ thống liên kết mô-men xoắn và vận tốc cùng được kết hợp trên một chiếc xe để sử dụng lần lượt tùy vào từng điều kiện. Với việc có thể chọn sử dụng 1 trong 2 liên kết, hệ thống kiểm soát (control unit) có thể có thêm các giải pháp để thực hiện các tính toán và quản lý dòng năng lượng của xe nhằm tối ưu hóa hoạt động của xe. Ví dụ như, ở vận tốc thấp, liên kết mô-men xoắn có thể phù hợp hơn nhằm đáp ứng một yêu cầu về mô-men lớn để xe bứt phá hoặc để leo lên dốc. Ngược lại, ở vận tốc cao, liên kết vận tốc có thể giúp để giữ động cơ đốt trong được hoạt động trong dải hiệu năng cao của nó.
Cuối cùng là cấu hình phức tạp nhất, kết hợp của cả 2 cấu hình trên "
serie-parallel full hybrid". Hiểu một cách đơn giản thì đây là cấu hình tổng hợp giúp bạn có được tất cả những lợi thế của cả 2 cấu hình đã nêu trên.
Serie/Parallel Hybrid
Cấu hình này cho phép sử dụng cả 2 động cơ để tạo động lực cho xe, cũng như tạo ra năng lượng điện trong khi động cơ điện vẫn đang hoạt động. Chiếc xe có thể sử dụng động lực từ duy nhất động cơ điện, hoặc từ cả 2 động cơ điện/xăng cùng lúc, tùy vào ngoại cảnh. Máy phát điện được trang bị cho hệ thống truyền động (tương tự cấu hình "serie") cho phép sạc lại ắc quy ngay trong lúc xe đang di chuyển.
Xe sẽ sử dụng động cơ điện với hiệu năng cao khi ở trong dải vận tốc thấp, và sẽ tăng cường động cơ đốt trong với vai trò hỗ trợ khi xe chạy ở dải vận tốc cao hơn. Nói cách khác, với cấu hình này, hệ thống có thể kiểm soát hoàn toàn 2 nguồn năng lượng nhằm tối ưu hóa hiệu năng của xe trong mọi điều kiện đường lái.
Ngoài EV, HEV, PHEV thì ngày nay chúng ta cũng bắt đầu nghe đến Range Extender mà mẫu xe nổi bật là BMW i3, i8 hay Fuel Cell Vehicle (FCV) với mẫu xe Mirai vô cùng ấn tượng. Range Extender có thể hiểu là dòng xe EV nhưng có thể gắn thêm một động cơ đốt trong nhỏ gọn cùng 1 bình xăng phụ có tác dụng cung cấp thêm năng lượng hoạt động cho xe (năng lượng xăng được chuyển hóa thành điện để chạy động cơ điện). Trong trường hợp này thì động cơ đốt trong chỉ đóng vai trò phụ trợ cho nguồn năng lượng chính là điện lấy từ ắc quy. FCV là dòng xe sử dụng kỹ thuật ắc quy Hydrogen, tận dụng phản ứng giữa H2 và O2 để tạo ra H2O cùng dòng điện cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Ưu điểm của loại pin này là chất thải ra hoàn toàn là nước và đầu vào là không khí sẵn có, chưa kể thời gian sạc H2 nén rất nhanh (khoảng 3-5'), quãng đường di chuyển cũng xa hơn so với EV.
BMW i3 Range Extender với option thêm hoặc không bình xăng phụ
Toyota Mirai - Fuel Cell Vehicle với công nghê ắc quy Hydrogen
Trong phần tiếp theo mình xin được giới thiệu tổng quan về những bộ phận quan trọng cấu thành nên một chiếc xe năng lượng sạch, các điểm đổi mới so với xe xăng truyền thống.
Nguồn :
http://tudienxe.com/kien-thuc-co-ban/khai-quat-ve-dong-co-dot-trong-part-2.html
